3.1. СОСТАВ ПОЧВЫ

Почва — сложная саморегулирующаяся поликомпонентная биокосная единая система, содержащая тесно взаимодействующие между собой твердую, жидкую и газовую фазы.

Газовая фаза — почвенный воздух — результат взаимодействия атмосферного воздуха и образующихся в почве газов. Состав его отличается от атмосферного повышенным (на 0,3—1 %, иногда на 2— 3 % и более) содержанием диоксида углерода и несколько меньшим — кислорода. Он весьма динамичен в зависимости от интенсивности обмена с атмосферным воздухом, богатства почвы органическими веществами, колебаний погодных условий (давление, температура, влажность) и характера растительности. Объем почвенного воздуха находится в динамическом антагонистическом равновесии с жидкой фазой (больше воды — меньше воздуха и наоборот). В почве происходит постоянное потребление кислорода и выделение диоксида углерода в результате разложения органических веществ ее, дыхания корней растений, животных, насекомых, простейших и микроорганизмов, а также некоторых химических реакций. В результате газообмена надпочвенный воздух обогащается диоксидом углерода, что улучшает условия фотосинтеза и повышает продуктивность растений. Взаимодействие С0₂ с жидкой фазой приводит к образованию угольной кислоты, которая диссоциирует на ионы Н⁺ и НСО3 подкисляет жидкую фазу:

со₂+н₂о^н⁺+нсо-₃.

Повышение концентрации С0₂ в почвенном воздухе усиливает растворимость этого газа в воде, что еще более подкисляет жидкую фазу и способствует переходу в усвояемую для растений форму некоторых веществ твердой фазы (фосфаты, карбонаты, сульфаты кальция и др.). Вместе с тем чрезмерная концентрация С0₂ и недостаток 0₂ в почвенном воздухе и жидкой фазе, наблюдающиеся при переувлажнении и переуплотнении почв, ингибируют рост и развитие микроорганизмов и растений, тормозят дыхание, рост корней растений и усвоение ими питательных элементов, усиливают восстановительные процессы в жидкой и твердой фазах почвы.

Регулирование водно-воздушного режима конкретных почв соответствующими обработками в сочетании с рациональным применением удобрений и мелиорантов улучшает корневое и воздушное питание растений, повышает их продуктивность и качество получаемой продукции, способствует развитию почвенных микроорганизмов, насекомых и животных.

Жидкая фаза — почвенный раствор — образуется из воды, поступающей с осадками, из грунтовых и паводковых вод, при конденсации водяных паров и растворимых в почвенном растворе веществ твердой и газообразной фаз. Это наиболее активная фаза почвы, из которой растения непосредственно усваивают питательные элементы и одновременно через почвенный раствор происходит взаимодействие растений с удобрениями, мелиорантами, твердой и газообразной фазами почвы, а также перенос различных частиц и соединений всех этих компонентов в виде суспензий, взвесей, коллоидных и истинных растворов.

Почвенный раствор в зависимости от состава и свойств конкретной почвы содержит катионы (Са²⁺, Mg²⁺, Н⁺, Na⁺, К⁺, NHJ и др.),

анионы (НСО3, ОН", Cl", NO3, SO^^-, Н₂РС>4 и др.), водорастворимые органические соединения и растворимые С0₂, 0₂, NH₃ и др. Поступление ионов в почвенный раствор происходит из твердой и газовой фаз почвы, вносимых удобрений и мелиорантов, выделений флоры и фауны, атмосферных осадков и грунтовых вод, а извлечение — потреблением растениями и биотой, переходом в твердую и газовую фазы и в результате водной эрозии. Иными словами, состав, концентрация, реакция, буферность и осмотическое давление почвенного раствора динамичны и зависят от почвенно-климатических условий и антропогенного воздействия.

Концентрация солей в почвенном растворе колеблется от тысячных до сотых долей процента (10—200 мг/л) в малоплодородных почвах до одного и более процента (> 10 000 мг/л) в очень сильнозасоленных (солончаки), а в среднеплодородных почвах составляет около 500 мг/л. Избыток солей в растворе (более 2000 мг/л) обычно вредно действует на многие сельскохозяйственные культуры, особенно в течение двух—четырех недель с момента прорастания семян. Однако с возрастом растений их устойчивость к высоким концентрациям возрастает.

Твердая фаза почвы состоит из минеральной (90—99,5 %) и органической (10—0,5%) частей, представленных полидисперс-ными частицами и агрегатами. Минеральная часть — обломки и частицы первичных пород и минералов, вторичные (вновь образованные) минералы, оксиды, соли и другие соединения, образовавшиеся в процессе выветривания и почвообразования. Органическая часть — разной степени разложения, остатки растительных и животных организмов почвы и продукты их разложения и неосинтеза, среди которых всегда преобладает собственно гумус.

Средний элементный состав твердой фазы почвы (% массы) по А. П. Виноградову характеризуется следующими данными:

Кислород, кремний, алюминий и железо составляют почти 93 % твердой фазы, углерод, калий и кальций — еще 4,6 % и лишь 2,5 % приходится на все оставшиеся элементы, которые в подавляющем большинстве содержатся в минеральной части. Только некоторые элементы (углерод, кислород, водород, фосфор и сера) содержатся в минеральной и органической частях, а азот — почти целиком в органической части.

3.1.1. МИНЕРАЛЬНАЯ ЧАСТЬ ПОЧВЫ

Она представлена различными по размерам частицами пород, первичных и вторичных минералов, аморфных соединений и солей. Гранулометрический состав почвы зависит от минералогического состава, влияет на химический и определяет многие физические, физико-химические и химические ее свойства. В песчаных и супесчаных почвах преобладают первичные минералы, суглинистые состоят из смеси первичных и вторичных минералов, а глинистые — преимущественно из вторичных минералов с примесью кварца. Разделение минералов на первичные (более 0,001 мм) и вторичные (менее 0,001 мм) довольно условное, так как последние являются продуктами физико-химического выветривания первых и образования при этом гидратов полуторных оксидов кремнезема и других соединений. В процессе выветривания гидролиз, например, полевого шпата и слюды, приводит к замещению катионов в кристаллических решетках минералов на ионы водорода:

K[AlSi₃O_g] + ^пН2° >А1₄(ОН)₈[Si₄0|o]+ Ортоклаз (полевой шпат) Каолинит

+SiO, «Н₂0+КОН;

Опал

K(Mg,Fe)₃ [AlSi₃O₁₀ ](OH,Fe)₂ +

Биотит(слюда)

₊_ш₂о_^( _KjH30)(_MgFe2₊ [(Al,Si)₄ О,о ](ОН)₂ • «Н₂0+ Гидробиотит

+Mg(OH)₂ +Fe₂0₃ Н₂0+КОН.

Брусит Гётит

Физико-химическое выветривание нельзя отделить от биологического преобразования пород, минералов и других соединений под воздействием живых организмов почвы и продуктов их жизнедеятельности (кислоты, ферменты и т. п.).

По химическому строению минералы подразделяют на силикаты и алюмосиликаты. Среди силикатов во всех почвах во фракциях песка и пыли преобладает (более 60 %) кварц — Si0₂, обладающий крайне низкой поглотительной способностью и высокой водопроницаемостью. Алюмосиликаты представлены в почвах первичными (преимущественно полевые шпаты и слюды) во фракциях пыли и песка (более 0,001 мм) и вторичными (группы каолинита, монтмориллонита и гидрослюд) во фракциях ила и коллоидов (менее 0,001 мм) минералами. Полевые шпаты и слюды при трансформации во вторичные минералы служат источниками калия, кальция, магния, железа и других элементов питания растений.

Кристаллические вторичные минералы представлены листовыми двух-(каолиниты) и трех-(монтмориллониты) слойными решетками, состоящими из слоев кремнекислородных тетраэдров, образующих гексагоны, соединенные с алюмогидроксильными октаэдрическими слоями. Среди двухслойных минералов каоли-нитовой группы наиболее распространены каолинит — Al₄(OH)₈[Si₄O₁₀] и галлуазит — Al₄(OH)₈[Si₄O₁₀] • 4 Н₂0. Дисперсность их невысока, емкость поглощения не выше 25 мгэкв/100 г почвы (фракция < 0,001 мм), липкость небольшая, водопроницаемость хорошая. Среди трехслойных вторичных минералов распространены монтмориллонит, нонтронит, бейзеллит, сапонит, соко-нит. Монтмориллонит — Mg₃(0H)₄[Si₄0₈(0H)₂] • Н₂0 — обладает высокой дисперсностью: 40—50 % коллоидных (<0,0001 мм) и 60—80 % илистых (< 0,001 мм) частиц. Он преобладает в черноземах. Благодаря высокой дисперсности емкость поглощения этого минерала достигает 120 мгэкв/100 г, при увлажнении он набухает. При этом в межплоскостное пространство могут проникать обменные катионы (К⁺, NHj, Na⁺, Са²⁺ и др.), которые при дегид-рации (подсушивании) почвы фиксируются и становятся недоступными для растений до следующего увлажнения. Гидрослюды гидромусковит (иллит) (К, Н₃0)А1₂(0Н)₂[А1, Si]₄ • яН₂0 и гидробиотит присутствуют практически во всех почвах в илистой и коллоидной фракциях. Они содержат до 5—7 % калия. Благодаря высокой дисперсности обладают большой поверхностью и поглотительной способностью.

Аморфные вещества минеральной части почвы представлены гидроксидами кремния Si0₂ • яН₂0, алюминия А1₂0₃ • яН₂0 и железа Fe₂0₃ • яН₂0, которые в коллоидной фракции в зависимости от реакции среды могут вести себя как кислоты или основания, обусловливая обменную поглотительную способность катионов и анионов. В изоэлектрических точках гидроксиды кремния, железа и алюминия выпадают в аморфные осадки, которые по мере старения кристаллизуются, образуя новые минералы:

Si0₂ яН₂0 —>SiC>2 яН₂0_> Si0₂ Si0₂ (аморфный) Опал Халцедон Кварц

Р^е20з «Н₂0-^Ре₂0з Н₂0—> Fe₂0₃ —> Fe₂0₃ mH₂0 (аморфный) Гётит Гематит Гидрогётит

кристаллический

Чем больше окристализованность соединений кремния, железа и алюминия, тем меньше их растворимость.

В почве содержатся и непосредственные источники питания растений — минеральные соли: карбонаты, сульфаты, нитраты, хлориды, фосфаты кальция, магния, калия, натрия, железа, алюминия, марганца. Все нитраты и хлориды, а также фосфаты, сульфаты и углекислые соли калия и натрия хорошо растворимы в воде, но их в почвах (за исключением засоленных) мало. Малорастворимые соли (карбонаты кальция, магния и сульфат кальция) встречаются в некоторых почвах в составе твердой фазы в значительных количествах, а нерастворимые в воде фосфаты кальция, магния, железа и алюминия — во всех почвах.

В связи с различным минералогическим составом гранулометрические фракции почв значительно различаются по содержанию питательных элементов (табл. 33).

С увеличением дисперсности снижается только содержание кремния и возрастает содержание всех других элементов, в том числе азота, который в составе гумуса также сосредоточен в наиболее дисперсной фракции. Следовательно, коллоидная и илистая фракции почв — основной источник питательных элементов для растений и одновременно наиболее активная часть почвы в формировании емкости катионо-анионного и молекулярного обмена, структурообразовании и буферности ее при взаимодействии с растениями, биотой, удобрениями и мелиорантами.

3.1.2. ОРГАНИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ ПОЧВЫ

Органическая часть почвы — это комплекс разнообразных органических соединений, разделенных на две группы: 1) собственно гумус, устойчивые к разложению консервативные вещества — свободные и связанные фульвокислоты, гуминовые кислоты и гумин, и 2) негумифицированные, лабильные органические вещества (ЛОВ) — неразложившиеся остатки растений, животных (насекомых, червей и др.), микроорганизмов и промежуточные продукты их разложения (клетчатка, крахмал, белки, пептиды, органические и аминокислоты, жиры, смолы, альдегиды, поли-уроновые кислоты, полифенолы, дубильные вещества, лигнин, хитин и др.).

Гумусовые вещества (гумус). Составляют 80—90 % общего содержания органического вещества почв. С их содержанием, составом и свойствами связаны температурно-воздушный режим, водно-физические свойства, поглотительная способность, буфер-ность почв, общие и подвижные запасы питательных элементов почв и вносимых удобрений, а также превращения и передвижения всех элементов. Подвижные питательные элементы гумуса непосредственно участвуют в питании растений в меньшей степени, чем ЛОВ, так как разлагаются очень медленно, но создают для этого процесса очень благоприятную среду.

Гумус подразделяют на три группы веществ: гуминовые кислоты, фульвокислоты и гумины.

Гуминовые кислоты. Содержат 52—58 % углерода, 34— 39 кислорода, 3,3—4,8 водорода и 3,6—4,1 % азота; каждая молекула их имеет 4 карбоксильные (СООН), 3—6 фенольных (ОН), первичные и вторичные спиртовые (ОН), а также метоксильные (ОСН₃) и карбонильные (СО) группы. Наличие многих функциональных групп обусловливает активное участие гуминовых кислот в процессах обменного поглощения ионов и образование соединений с солями, аморфными веществами и минералами.

Фульвокислоты. Содержат меньше углерода и азота, но больше кислорода, чем гуминовые кислоты, имеют более простое строение, но такие же функциональные группы и, следовательно, могут взаимодействовать с такими же соединениями, а также с железом, алюминием и гуминовыми кислотами. Фульвокислоты более подвижны, азотистые соединения их молекул легче подвергаются гидролизу, чем гуминовых кислот.

Г у м и н. Представляет собой комплекс сложных эфиров гуминовых и фульвокислот, прочно связанных с глинистыми минералами и другими веществами минеральной части, что и обусловливает его высокую устойчивость к химическому и микробиологическому разложению. Гумины практически не могут быть непосредственными источниками питательных элементов для растений, но благодаря наличию многих функциональных групп удерживают в усвояемой для растений форме эти элементы, поступающие из почв и удобрений. Они влияют на емкость, буферность почв, передвижение и превращение питательных элементов.

Гумусовые вещества, обладая высокой устойчивостью к минерализации, в почвах длительного сельскохозяйственного использования без удобрений и при недостаточных количествах их все же постепенно разлагаются. За 30—50 лет подобной эксплуатации содержание гумуса в почвах может снизиться на 20—25 и даже на 50 % в зависимости от исходного уровня. В пахотном слое дерново-подзолистых почв ежегодно минерализуется в среднем 0,6— 0,7, а в черноземах— до 1 т/га органического вещества. Особенно интенсивно гумус минерализуется в чистых парах (1—2 т/га), так как здесь нет возврата органического вещества в почву в виде остатков растений и может накапливаться 60—120 кг/га нитратного азота.

В почвах ежегодно протекают процессы не только распада гумуса, но и новообразований его за счет поступающих остатков растений, биоты, продуктов разложения их и «старого» гумуса. В зависимости от преобладания того или иного процесса (разложение-синтез) в почве меняется содержание органического вещества.

Подбор соответствующих видов и сортов возделываемых культур, квалифицированное применение органических и минеральных удобрений в сочетании с химическими мелиорантами и способами обработки почв обеспечивают существенное изменение продуктивности культур и, следовательно, количества и качества пожнивно-корневых остатков, других почвенных организмов, что и является практическим приемом регулирования содержания органического вещества в почвах.

Важнейшее качество гумуса — коллоидностъ. Коллоидные, поверхностно-активные вещества гумуса обладают катионо-анионными мицеллами и проявляют высокую активность даже при предельно малой толщине адсорбционных слоев. Поэтому, несмотря на небольшую долю гумуса в твердой фазе почвы (кроме торфяных почв), роль и значение его в питании растений, превращении удобрений и плодородии почв исключительно велики.

Содержание органического вещества в пахотном слое разных почв сильно колеблется — от очень низкого (менее 1,0 %) до очень высокого (более 10%) и является одним из основных критериев плодородия и экологической устойчивости их как компонентов биосферы. Компоненты органического вещества в значительной мере определяют пищевой режим почвы как непосредственные источники питания населяющих ее организмов, так и косвенно действием различных групп органических веществ на физико-химические и биологические процессы в ней и водно-физические свойства. Обогащение почвы органическим веществом снижает потери питательных элементов удобрений из нее в результате миграционных процессов и, следовательно, загрязнение сопряженных сред. Циклические процессы синтеза и трансформации органических веществ в почве — основа биогеохимических круговоротов биофильных элементов, и одновременно они играют важнейшую роль в воспроизводстве плодородия почв.

Негумифицированные вещества. Составляют 10—20% общего запаса органических веществ, но являются непосредственным ис-

точником питательных веществ для растений и биоты. Некоторые из них оказывают стимулирующее или ингибирующее действие на рост и развитие живых организмов и одновременно влияют на трансформацию питательных элементов почвы и удобрений из недоступных для растений форм в усвояемые и обратно.

Не вся масса ЛОВ полностью минерализуется — от 10 до 30 % их участвует в новообразовании собственно гумуса. Из общих количеств ЛОВ на долю растительных остатков в зависимости от вида и продуктивности культур приходится от 3—5 до 12—15 т/га, что составляет в дерново-подзолистых почвах до 10 %, а в черноземах 2—3 % общих запасов органического вещества. Масса микроорганизмов в слое почвы 0—20 см колеблется от 0,7 до 2,7 т/га (иногда до 5—7 т/га), что составляет 1—3 % общих запасов органического вещества в почвах. Недостаток ЛОВ в почвах проявляется в значительном ухудшении питательного режима всех живых организмов.